SMTbar回流溫度曲線的一般技術要求及測試方法

1、回流溫度曲線的一般技術要求及測試方法一、回流溫度曲線在生產(chǎn)中地位：回流焊接是在 SMT 工業(yè)組裝基板上形成焊接點的主要方法，在 SMT 工藝中回流焊接是核 心工藝。因為表面組裝 PCB 的設計，焊膏的印刷和元器件的貼裝等產(chǎn)生的缺陷，最終都將 集中表現(xiàn)在焊接中，而表面組裝生產(chǎn)中所有工藝控制的目的都是為了獲得良好的焊接質量， 如果沒有合理可行的回流焊接工藝， 前面任何工藝控制都將失去意義。 而回流焊接工藝的表 現(xiàn)形式主要為回流溫度曲線，它是指 PCB 的表面組裝器件上測試點處溫度隨時間變化的曲 線。因而回流溫度曲線是決定焊接缺陷的重要因素。 因回流曲線不適當而影響的缺陷形式主 要有：部品爆裂 /破

2、裂、翹件、錫粒、橋接、虛焊以及生半田、PCB 脫層起泡等。因此適當設計回流溫度曲線可得到高的良品率及高的可靠度， 對回流溫度曲線的合理控制， 在生產(chǎn)制 程中有著舉足輕重的作用。二、回流溫度曲線的一般技術要求及主要形式： 1回流溫度曲線各環(huán)節(jié)的一般技術要求： 一般而言，回流溫度曲線可分為三個階段：預熱階段、回流階段、冷卻階段。 預熱階段： 預熱是指為了使錫水活性化為目的和為了避免浸錫時進行急劇高溫加熱引起部品不具合為 目的所進行的加熱行為。•預熱溫度：依使用錫膏的種類及廠商推薦的條件設定。一般設定在80160C范圍內使其慢慢升溫（最佳曲線）；而對于傳統(tǒng)曲線恒溫區(qū)在 140160 C間

3、，注意溫度高則氧化 速度會加快很多（在高溫區(qū)會線性增大，在150C左右的預熱溫度下，氧化速度是常溫下的數(shù)倍，銅板溫度與氧化速度的關系見附圖）預熱溫度太低則助焊劑活性化不充分。• 預熱時間視 PCB 板上熱容量最大的部品、 PCB 面積、 PCB 厚度以及所用錫膏性能 而定。一般在80160C預熱段內時間為 60120see，由此有效除去焊膏中易揮發(fā)的溶劑， 減少對元件的熱沖擊，同時使助焊劑充分活化，并且使溫度差變得較小。• 預熱段溫度上升率：就加熱階段而言，溫度范圍在室溫與溶點溫度之間慢的上升率可望減少大部分的缺陷。 對最佳曲線而言推薦以 0.51C /sec的慢上升率

4、，對傳統(tǒng)曲線而言 要求在34 C /sec以下進行升溫較好。 回流階段：• 回流曲線的峰值溫度通常是由焊錫的熔點溫度、組裝基板和元件的耐熱溫度決定的。一般最小峰值溫度大約在焊錫熔點以上30 C左右（對于目前 Sn63 - pb焊錫，183C熔融點，則最低峰值溫度約210C左右）。峰值溫度過低就易產(chǎn)生冷接點及潤濕不夠，熔融不足而致生半田，一般最高溫度約235C,過高則環(huán)氧樹脂基板和塑膠部分焦化和脫層易發(fā)生， 再者超額的共界金屬化合物將形成，并導致脆的焊接點（焊接強度影響）。• 超過焊錫溶點以上的時間：由于共界金屬化合物形成率、焊錫內鹽基金屬的分解率 等因素， 其產(chǎn)生及濾出

5、不僅與溫度成正比， 且與超過焊錫溶點溫度以上的時間成正比， 為減 少共界金屬化合物的產(chǎn)生及濾出則超過熔點溫度以上的時間必須減少，一般設定在45 90秒之間， 此時間限制需要使用一個快速溫升率， 從熔點溫度快速上升到峰值溫度， 同時考慮 元件承受熱應力因素，上升率須介于2.53.5C/see之間，且最大改變率不可超過4C /sea 冷卻階段：高于焊錫熔點溫度以上的慢冷卻率將導致過量共界金屬化合物產(chǎn)生，以及在焊接點處易發(fā)生大的晶粒結構， 使焊接點強度變低， 此現(xiàn)象一般發(fā)生在熔點溫度和低于熔點溫度一點的溫度 范圍內。 快速冷卻將導致元件和基板間太高的溫度梯度， 產(chǎn)生熱膨脹的不匹配， 導致焊接點 與焊

6、盤的分裂及基板的變形， 一般情況下可容許的最大冷卻率是由元件對熱沖擊的容忍度決定的。綜合以上因素，冷卻區(qū)降溫速率一般在4C /S左右，冷卻至75C即可。2目前應用較廣泛的兩種回流溫度曲線模式： 升溫一保溫方式（傳統(tǒng)溫度曲線）•解說：由起始快速溫度上升至140170 C范圍內某一預熱溫度并保持，TPHH TPHL要根據(jù)回流爐能力而定（土 10C程度），然后溫度持平40120S左右當作預熱區(qū)，然 后再快速升溫至回流區(qū)，再迅速冷卻進入冷卻區(qū)（溫度變化速率要求在4 C /sec以下）。• 特點：因為一般都取較低的預熱溫度，因而對部品高溫影響小（給部品應力?。┕?可延長其加熱時間

7、， 以便達到助焊劑的活性化。 同時因為從預熱區(qū)到回流區(qū)， 其溫度上升較 為激劇，易使焊接流變性惡化而致移位，且助焊劑活性化溫度也低。 逐步升溫方式（最佳溫度曲線）：•解說：以慢的上升率（0.51 C /sec）加熱直到大約175C，然后在2030S內梯度 上升到180C左右，再以2.53.5C/sec快速上升到220C左右，最后以不超過 4C/sec快速 冷卻下降。其管理要點是保持一定的預熱溫度上升率，預熱的終點接近錫的熔點溫度。• 特點：部品不受激劇的溫度變化，助焊劑的活性化溫度可以設定較高，但助焊劑的 活性化時間短，同時預熱溫度高而使部品受高溫影響。 比較以上兩種回

8、流溫度曲線模式，主要的不同是后者無高原結構 （即恒溫加熱區(qū)） 的溫度曲線部分。目前我們公司主要是用前者。 由于基板結構及其元件吸熱性的差異， 以及設備可控制加熱率的限制，在穿過回流爐的基板不同點溫度仍然會存在差異， 借由一個減少溫度梯度的高原形式的平衡區(qū)， 在熱點溫度到 焊錫溶點溫度以下時， 保持此溫度一段時間， 則冷點溫度將有力趕上它，在每個元件達到相同溫度之后， 另一個快溫升程序將使元件上升到峰值溫度， 這樣可有效避免局部生半田或局 部高溫焦化的現(xiàn)象。 另一方面， 前者高原結構的獲得， 則在室溫至恒溫預熱段以及恒溫段至焊錫熔融段必然會 出現(xiàn)一個快速升溫的過程， 而此快速升溫過程對因濺落而引

9、起的焊錫球， 在焊錫融點前部品 兩側潤濕不平衡而引起翹件等不良又有密切關系， 很多品質問題都希望在室溫到焊錫溶點之 間采用線性上升加熱溫度曲線來預防消除。3常見回流浸錫不良與溫度曲線關系（僅是基于回流工藝的考慮） 錫橋接（短路）不良是焊錫熱融落造成的結果，只發(fā)生在熔點以下的焊膏階段。由于分子熱運動效應， 固定成份和化學結構的材料的粘度隨溫度上升而下降， 在較高溫下粘度的下降 將產(chǎn)生較大的熱融落； 另一方面， 溫度的上升常使助焊劑脫出較多的溶劑并導致固態(tài)含量的 增加而致使粘度上升。 因為前者僅與溫度有關， 后者即溶劑的總減少量是時間和溫度的函數(shù)， 在任一已知的溫度下， 低溫升率的錫膏粘度比高溫升

10、率回流曲線下的錫膏粘度要高，因此我們在預熱階段的溫升率一般要求較低，從而減少短路不良的發(fā)生。 錫粒的產(chǎn)生： 在預熱階段， 伴隨除去焊膏中易揮發(fā)溶劑的過程， 焊膏內部會發(fā)生氣化現(xiàn)象， 這時如果焊膏中金屬粉末之間的粘結力小于氣化產(chǎn)生的力，就會有少量焊膏從焊盤上流離 開，有的則躲到 Chip 元件下面， 回流時這部分焊膏也會熔化， 而后從片狀阻容元件下擠出， 形成焊錫珠。 由其形成過程可見， 預熱溫度越高， 預熱速度越快， 就會加大氣化現(xiàn)象中飛濺， 就越易形成錫珠。 同時溫度越高， 焊錫的氧化會加速、 焊錫粉表面的氧化膜會阻止焊錫粉之 間很好地熔融為一體， 會產(chǎn)生焊錫球。 但這一現(xiàn)象采用適當?shù)念A熱溫

11、度與預熱速度可有效控 制。 毛細管現(xiàn)象： 是指溶融焊錫潤濕到元件引腳且遠離接點區(qū)， 造成假焊， 其原因是在焊錫熔 融階段引腳的溫度高于 PCB 焊盤溫度。改善辦法：使用較多的底面加熱（上、下加熱方式回流爐）或非常慢的溫升率（在預熱至焊錫溶點溫度附近） ，使焊錫潤濕發(fā)生前引腳與焊盤溫度達到平衡。三、回流溫度曲線的測試 回流溫度曲線的測試，一般采用能隨打印 PCB 板一同進入爐膛內的溫度采集器（即溫度記 憶裝置）進行測試，測量采用 K 型熱電偶（依測量溫度范圍及精度而采用不同材質制成各 種類型熱電偶） ，偶絲直徑 0.10.3mm 為宜 ,測試后將記憶裝置數(shù)據(jù)輸入專用測試曲線數(shù)據(jù)處 理機打印出 P

12、CB 組件溫度曲線 .1. 熱電偶的安培育a. 感應溫度用的熱電偶 ,在使用和安裝過程中 ,應確保除測試點外 ,無短接現(xiàn)象發(fā)生 ,否則無 法保證試精度 ,測試點盡可能小 .b. 熱電偶在與記憶裝置或其它測試設備相連接時,其極性應與設備要求一致 ,熱電偶將溫度轉變?yōu)殡妱觿?,所以連接時有方向要求 .（ 目前我們使用的熱電偶絲帶紅色線條的線接正極）2. 測試點的選取一般至少三點 ,能代表 PCB 組件上溫度變化的測試點 （能反映 PCB 組件上高、中低溫部位 的溫度變化 ）；一般情況下，最高溫度部位在 PCB 與傳送方向相垂直的無元件邊緣中心處，最低溫度在 PCB 靠近中心部位的大型元件之半田端子

13、處（ PLCC.QFP 等）如下圖示 :另外對耐熱性差部品表面要有測試點,以及客戶的特定要求 .3. 測試點安裝 :熱電偶與測試位置要可靠連接 ,否則會產(chǎn)生熱阻 ,另外與熱電偶接觸的材料以 及固定熱電偶的材料應是最小的 ,因其絕熱或吸熱作用將直接影響熱電偶測量值的真實性,下表是常用的四種熱電偶連接方式 :表一 四種熱電偶加接方法比較類別 連接方式 優(yōu)點 缺點 適用性高溫焊料焊接熔點高于290C ,導熱性好撚電偶與PCB表面之間熱阻小，機械強度高旌 接可靠測量誤差小 ,可連續(xù)測試 . 焊接技術難度大 ,改變測試點不方便 ,容易因過熱而損壞 PCB 焊盤或元器件 ，不能將熱電偶與不浸錫表面連接.

14、適用于固定點連續(xù)測試膠粘劑 粘接 可將熱電偶與不浸錫表面連接 ，能經(jīng)受幾個周期的再流焊溫度 . 粘接后固化 操作不便 ，殘留膠清除困難 . 適用于固定點連續(xù)測試高溫膠帶 粘接 可將熱電偶與不浸錫表面連接 ，改變測試點簡單方便 . 隨著溫度升高 ，膠 帶粘著力下降 ，熱電偶偏離測試點 ，引起測試誤差 ，不能將熱電偶固定在狹小位置 . 適用于多 點測試機械連接 機械固定 連接結實可靠 ,經(jīng)得住反復測試 ,可對狹小位置進行測試機械部件增加了熱電偶附近熱容量 ,測試成本高 . 適用于高密度多點連續(xù)測試 目前我們采用的多是高溫焊料方式 ,用高溫焊料貼片膠或高溫膠帶紙將記憶裝置的熱電偶測 試頭分別固定到

15、PCB 的測試點部位 ,再用高溫度膠帶 /膠水把熱電偶絲固定 ,以免因其移動影 響測量數(shù)據(jù) ,焊接固定時 ,焊接量盡量小和均勻 ,固定用膠水也盡量是很薄一層 .4. 測試板的要求a. 原則上要采用本機種的完整的回流后產(chǎn)品來制作,以保證真實地反映該產(chǎn)品在回流爐內的溫度變化情況b. 采用其他代替測試板要符合以下要求 :基板材質相同 ,基板外形尺寸要相同 ,基板厚度相同 貼片部品數(shù)大致相當以及吸熱或耐熱性近部品 .5. 其他注意事項a. 將測試板與記憶裝置一起放入爐膛時 ,注意記憶裝置距測試 PCB 板距離在 100mm 以上 , 以免熱量干擾 .b. 相關實驗數(shù)據(jù)表明 : 回流爐在開機 30mim

16、 后才能達到爐體熱平衡 ,因此要求在開啟爐子至 少運行 30mim 后才可進行溫度曲線的測試及生產(chǎn) .c. 溫度曲線圖打印出來后依預熱的溫度時間,回流峰值溫度 ,回流時間以及升降溫速率等綜合考慮調整設備至滿足溫度曲線要求 ,因測試點熱容量的不同以及表征回流爐性能的溫度不 均勻性因素 ,三個測試溫度曲線將會存在一定差異.d. 溫度曲線的記錄 :除打印出的溫度曲線外 ,要表明各參數(shù)要求的范圍及實際值;設備的設定值及顯示值 ; 測試點位置分布及測試板投入方向以及測定時間及結果判定等.e. 測定頻度 :原則上每周一次 （客戶別要求時依客戶要求執(zhí)行 ）,在設定變更 ,產(chǎn)品變更時 ,視需 要進行溫度曲線的測試 .四